- distributed micro-roughness(DMR) 80 साल से अधिक पुराने उस सिद्धांत के विपरीत है कि चिकनी सतह drag कम करती है; यह सूक्ष्म, यादृच्छिक खुरदरापन के जरिए turbulent transition को देर से होने देता है
- Tohoku University की शोध टीम ने 1m magnetic support balance system से support interference के बिना DMR सतह को मापा और साबित किया कि drag को अधिकतम 43.6% तक घटाया जा सकता है
- प्रयोग में इस्तेमाल किया गया DMR 38~53 माइक्रोमीटर कांच के मोतियों के उभरे हुए पैटर्न और sandblasting से बने धंसे हुए पैटर्न से बना था, और इसकी ऊंचाई boundary layer की मोटाई का सिर्फ 1% थी
- DMR लागू किए गए मॉडल का critical Reynolds number लगभग 1.9×10⁶ से बढ़कर 2.2×10⁶ हो गया, और 3.6×10⁶ तक इसने चिकनी सतह की तुलना में कम drag coefficient दिखाया
- DMR, golf ball dimples या shark skin riblets से अलग, pressure drag के बजाय wall friction को कम करता है, और यह flow direction dependency, power, या actuator के बिना काम करने वाली passive technology है
वायु प्रतिरोध घटाने के सिद्धांत में बदलाव
- उच्च गति वाले aircraft, कारों और high-speed trains में वायु प्रतिरोध अधिक गति और कम energy consumption के रास्ते में एक बड़ी बाधा है
- जब कोई वस्तु तेज गति से चलती है, तो उसकी सतह पर हवा की एक पतली परत बनती है जिसे boundary layer कहा जाता है, और यह layer व्यवस्थित laminar flow या अव्यवस्थित turbulent flow की अवस्था में हो सकती है
- जितनी देर तक कम friction वाला laminar flow बना रहता है, वायु प्रतिरोध उतना कम होता है, लेकिन गति बढ़ने पर flow turbulent अवस्था में transition कर जाता है
80 साल से अधिक समय तक चला चिकनी सतह का सिद्धांत
- एरोनॉटिकल इंजीनियरिंग में 80 साल से अधिक समय तक यह सिद्धांत स्वीकार किया गया कि वायु प्रतिरोध कम करने के लिए सतह का चिकना होना जरूरी है
- यह धारणा जापानी वैज्ञानिक Ichiro Tani द्वारा 1940 में किए गए शोध पर आधारित थी
- Tani ने surface roughness और turbulent transition के संबंध का अध्ययन किया
- उनका मानना था कि उस समय की manufacturing technology में सतह का खुरदरापन, जिससे बचना मुश्किल था, laminar flow हासिल करने में बाधा बनता है
- 1989 में Tani ने 1930 के दशक के fluid dynamics वैज्ञानिक Johann Nikulase द्वारा rough surface pipes पर प्राप्त experimental data की फिर से व्याख्या की
- इससे यह संभावना सामने आई कि roughness हमेशा turbulent transition को तेज नहीं करती और fluid resistance को बढ़ाती ही नहीं है
- Tohoku University के Yasuaki Kohama की शोध टीम ने 1990 के दशक में दिखाया कि सूक्ष्म fiber-जैसी uneven surfaces कुछ परिस्थितियों में transition को देर से होने दे सकती हैं
distributed micro-roughness(DMR) का प्रयोगात्मक प्रमाण
- Tohoku University Institute of Fluid Science में Associate Professor Aiko Yakino की शोध टीम ने साबित किया कि केवल distributed micro-roughness(DMR) — यानी ऐसी सूक्ष्म और अनियमित surface roughness जिसे आंखों से पहचानना मुश्किल हो — के जरिए वायु प्रतिरोध को अधिकतम 43.6% तक कम किया जा सकता है
- DMR, मौजूदा वायु प्रतिरोध घटाने वाली तकनीक riblets, यानी “shark skin” treatment, से अलग तरीके से काम करता है
- riblets शार्क की त्वचा की सूक्ष्म लंबवत grooves की नकल करते हैं
- वे हवा के flow direction के साथ लगभग 0.1mm चौड़ी grooves बनाकर turbulent region में wall के पास बनने वाले vortices को align करते हैं
- DMR यादृच्छिक और सूक्ष्म unevenness के जरिए laminar से turbulent flow में transition को देर से होने देता है
- दोनों तरीकों के प्रभाव का flow region और काम करने का mechanism अलग है
support के बिना wind tunnel मापन
- पारंपरिक wind tunnel experiments में मॉडल को संभालने वाली rods और wires हवा के flow को disturb कर देती थीं
- micro-scale surface roughness से पैदा होने वाले drag के सूक्ष्म बदलाव support structures की वजह से छिप सकते थे
- Tohoku University Institute of Fluid Science का 1m magnetic support balance system(1m-MSBS) इस समस्या को कम करता है
- यह electromagnetic force की मदद से लगभग 1.07m लंबे streamlined model को wind tunnel के अंदर बिना संपर्क के levitate करता है
- support rods या किसी अन्य सहारे के बिना यह मॉडल के आसपास airflow interference को हटाता है
- शोध टीम ने smooth surface और DMR-coated surface के total drag coefficient को Reynolds number 0.35×10⁶~3.6×10⁶ की रेंज में मापा
- Reynolds number द्रव के भीतर inertial force और viscous force के अनुपात को दर्शाता है
- यह laminar या turbulent flow की भविष्यवाणी के लिए एक प्रमुख संकेतक है
DMR संरचना और मापन के नतीजे
- प्रयोग में DMR के दो प्रकार इस्तेमाल किए गए
- 38~53 माइक्रोमीटर व्यास वाले कांच के मोतियों से बना उभरा हुआ पैटर्न
- sandblasting से बना धंसा हुआ पैटर्न
- DMR coating की ऊंचाई boundary layer thickness का केवल 1% थी, इसलिए fluid dynamics के दृष्टिकोण से इसे “smooth surface” की श्रेणी में रखा गया
- DMR-coated model में turbulent transition शुरू होने का critical Reynolds number लगभग 1.9×10⁶ से बढ़कर 2.2×10⁶ हो गया
- transition region में drag अधिकतम 43.6% तक कम हुआ
- DMR लागू की गई सतह ने मापे गए सबसे ऊंचे Reynolds number 3.6×10⁶ तक भी smooth surface की तुलना में लगातार कम drag coefficient दिखाया
pressure drag नहीं, wall friction घटाने वाला mechanism
- वायु प्रतिरोध को मुख्य रूप से pressure drag और friction drag में बांटा जाता है
- pressure drag तब बनता है जब वस्तु के पीछे airflow सतह से अलग होकर separation पैदा करता है
- friction drag सतह के ऊपर बहती हवा की viscosity से पैदा होता है, और flow जितना अधिक laminar रहता है, यह उतना कम होता है
- शोध टीम ने DMR के प्रभाव का कारण अलग-अलग समझने के लिए large eddy simulation(LES) का उपयोग किया
- LES एक computational fluid dynamics तकनीक है जिसमें बड़े turbulent vortices की सीधे गणना की जाती है और छोटे vortices को model के जरिए approximate किया जाता है
- इस प्रयोग के LES में अधिकतम 4,5380 wall cell resolution का उपयोग किया गया
- surface flow की पुष्टि के लिए fluorescent paint आदि का इस्तेमाल करने वाला oil flow visualization analysis भी किया गया
- LES analysis में बिना artificial disturbance डाले laminar calculation के pressure drag का conservative upper bound Cp≈0.00021 रखा गया
- यह मान theoretical value से 1% के भीतर मेल खाता है
- इस शोध में देखा गया drag reduction ΔCD≈0.001, इस upper bound का लगभग 5 गुना है
- यदि वस्तु के पीछे का separation पूरी तरह हटा भी दिया जाए, तब भी देखी गई कमी का केवल लगभग 20% ही समझाया जा सकता है
- इस तरह मात्रात्मक रूप से पुष्टि हुई कि DMR के drag reduction का मुख्य कारण separation suppression नहीं बल्कि wall friction में स्वयं कमी है
golf ball dimples और shark skin treatment से अंतर
- DMR का सिद्धांत golf ball के dimple effect से अलग है
- dimples जानबूझकर airflow को turbulent बनाते हैं ताकि पीछे होने वाला separation कम हो और pressure drag घटे
- DMR turbulent transition को देर से होने देता है, जिससे pressure drag नहीं बल्कि wall friction कम होता है
- DMR के riblet treatment की तुलना में भी अलग फायदे हैं
- riblets को प्रभावी बनाने के लिए grooves को airflow direction के अनुरूप बहुत सटीकता से बनाना पड़ता है
- DMR में surface roughness यादृच्छिक होती है और flow direction पर निर्भर नहीं करती
- यह moving parts या बिजली की जरूरत के बिना काम करने वाली passive technology है
उपयोग की संभावना और आगे की चुनौतियां
- aircraft में DMR लागू करने पर fuel efficiency बेहतर होने से operating cost और carbon dioxide emissions कम हो सकते हैं
- शोध टीम DMR के आकार और distribution density को और optimize करने तथा लागू की जा सकने वाली speed range को बढ़ाने की योजना बना रही है
1 टिप्पणियां
Hacker News की राय
जिसने भी competitive yachting या foil racing की है, वह जानता है कि पानी के भीतर की सतह को 1000~1500-grit sandpaper से बारीकी से sand करने पर friction सबसे कम होता है और laminar flow भी अच्छा मिलता है
हवा में ऐसा नहीं होता, और विमान के पंखों के लिए हमेशा कहा जाता था कि चमकदार polish सबसे अच्छी है, इसलिए यह बात हमेशा अजीब लगती थी; अब लगता है कि airfoil को भी न्यूनतम friction के लिए सूक्ष्म roughness का फायदा मिलता है
हैरानी इस बात की है कि इतना सरल तथ्य, इतने शोध और फंडिंग वाले क्षेत्र में, कैसे जाना नहीं गया; शायद paper लिखने वाले शोधकर्ताओं को ही यह पता नहीं था
यह क्षेत्र laminar और turbulent flow के बीच होता है; laminar flow में आम तौर पर turbulent flow की तुलना में drag 5 गुना कम होता है, और यह लगभग Reynolds number 500,000~1,000,000 पर दिखाई देता है
surfboard का Reynolds number 10^7 होता है, इसलिए वह पूरी तरह turbulent होता है, जबकि Cessna aircraft लगभग 1~5x10^6 पर होता है
हाँ, specific process और implementation ज़्यादा नए हो सकते हैं या पहले से थोड़े अलग हो सकते हैं
हम एक सनसनीखेज समाज में रहते हैं जहाँ iterative improvement, और कभी-कभी नकल तक, को भी revolution कहकर समझाया जाता है
अगर कोई 737 के 40% कम fuel इस्तेमाल करने का दावा दिखाना चाहे तो ऐसा नहीं होने वाला, लेकिन aircraft skin बनाने की process थोड़ी बेहतर हो सकती है
fuselage को हर हफ्ते फिर से sand नहीं किया जा सकता, और यह भी ज़रूरी है कि चीज़ बिना maintenance के स्थिर रूप से काम करे
जब मैं RC glider aerodynamics पढ़ता था, उस नज़रिए से देखें तो हवा में “viscosity” की range, जिसे विमान के आकार और गति के अनुसार Reynolds number से व्यक्त किया जाता है, अधिक चौड़ी होती है
golf ball, RC airplane, commercial jet, और fighter jet—इन सबके लिए ideal aerodynamics या उपयोगी techniques (winglets, dimples) काफ़ी अलग हो सकती हैं
यह भी दिलचस्प है कि winglet efficiency बहुत पहले से जानी जाती थी, लेकिन लगभग सभी passenger aircraft पर इसका उपयोग अपेक्षाकृत हाल में हुआ
यह shark skin की सूक्ष्म roughness की नकल करने की कोशिश थी
असली paper यहाँ है: https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mec...
यह बात लंबे समय से स्वीकार की गई थी कि “surface जितनी smooth होगी, aerodynamic drag उतना कम होगा”, इसलिए यह जानकर आश्चर्य हुआ कि यह हमेशा सही नहीं है
golf ball dimples के drag घटाने की बात तो हमेशा सुनता आया हूँ
dimples हवा के flow को जानबूझकर turbulent बनाते हैं और rear separation को दबाकर pressure drag घटाते हैं, जबकि DMR transition को delay करके pressure drag नहीं बल्कि wall friction को ही दबाता है
दोनों के mechanism एक-दूसरे के उलट हैं
बस यह जानना चाहता हूँ कि relative terms में फ़र्क कितना बड़ा है
कुछ improvements मेहनत के लायक होती हैं, लेकिन अगर 20% से ज़्यादा हो तो बात समझ में आती है; और अगर सब लोग dimpled golf balls इस्तेमाल करते हैं, तो वह सिर्फ़ एक thought experiment है
फिर ping pong ball में dimples क्यों नहीं होते?
vortices बड़े air pockets को तोड़कर drag घटाते हैं
ball जैसी गोल सतहों को dimples का फायदा मिल सकता है, लेकिन arrow जैसी सीधी सतहों को शायद नहीं
पक्का नहीं कह सकता, लेकिन लगता है speed भी असर डालती होगी
शायद मेरे ad blocker का “subscribe to read” फीचर से टकराव हुआ, लेकिन जिस तरह यह fail हुआ वह मज़ेदार था
page खोलने पर representative image और title दिखते हैं, और उसके नीचे सिर्फ़ “Subscribe to listen [9 minutes]” और “Aerodynamic drag is a major obstacle for high-speed airplanes, cars, and high-speed trains...” जैसी पंक्ति दिखाई देती है
उसके बाद सिर्फ़ comments और दूसरे लेखों के links होते हैं, और यह ज़रा भी संकेत नहीं मिलता कि audio recording के अलावा article body भी मौजूद है
शायद इससे कुछ “article पढ़े बिना” किए गए comments समझ में आते हैं। हालाँकि ऐसा तो वैसे भी होता है
बेहतर होता अगर कोई archive link मिल जाता
आजकल कुछ websites काफ़ी आक्रामक हो गई हैं
यह हिस्सा या तो गलती लगता है, या अपने आप में एक लंबी कहानी जैसा
इसमें कहा गया है कि 1940 में जापानी वैज्ञानिक Ichiro Tani ने surface roughness और turbulent transition के संबंध को दिखाया, और तर्क दिया कि उस समय की manufacturing technology से बचना संभव न होने वाली surface roughness laminar flow हासिल करने में बाधा है
लेकिन अगर 1989 में Tani ने 1930 के दशक के fluid dynamicist Johann Nikulase के rough-surface pipe experiment data की पुनर्व्याख्या करते हुए यह प्रस्तावित किया कि “roughness ज़रूरी नहीं कि हमेशा turbulent transition को बढ़ाए और fluid resistance को ही बढ़ाए”, तो इसका मतलब है कि वे 49 साल तक उसी समस्या पर काम कर रहे थे
वास्तव में उनकी 1990 में मृत्यु हुई, इसलिए यह संभव है
अगर इसे sandblasting की तरह लागू करना उतना ही सरल है, तो मौजूदा aircraft पर भी retrofit करना काफ़ी आसान लगता है
जैसा बताया गया है अगर यह वैसे ही काम करता है, तो यह लगभग उसी दिन लागू की जा सकने वाली मुफ़्त fuel efficiency improvement जैसी चीज़ है
लेकिन मैंने अभी तक असली net improvement के आँकड़े नहीं देखे हैं
लेख में बताए गए percent केवल “transition region” तक सीमित हैं, और कहा गया है कि coefficient कुल मिलाकर बेहतर होता है, लेकिन सिद्धांततः अगर पूरे airfoil पर कुल improvement लगभग 0 के करीब हो तो यह लगभग निरर्थक हो सकता है
वास्तविक वातावरण में यह बंद हो सकता है या जल्दी घिस सकता है, इसलिए इतने स्तर की सूक्ष्म degradation को कुछ समय तक स्थिर बनाए रखना भी बहुत कठिन लगता है
किसी खास aircraft को modify करने के लिए परीक्षण या certification से पहले regulatory barriers काफ़ी ज़्यादा होने की संभावना है
certified aircraft के मामले में तो खास तौर पर ऐसा होगा, और experimental aircraft की दुनिया में भी किसी के wing पर sandblasting करने को लेकर हिचक हो सकती है
अगर यह तकनीक पहले से आज़माई नहीं गई है, तो मुझे लगता है कि इसका प्रयोग पहले Formula 1 जैसी जगहों पर होने की संभावना ज़्यादा है
एक company अधिकतम 4% fuel saving का दावा करती है: https://mako.aero/insights/delta-partners-with-mako-to-test-...
वही एक coating यह तय कर सकती है कि वह रोज़मर्रा के temperature variation को 10,000 flights तक झेलेगी या सिर्फ़ 1,000 flights तक, इसलिए इसे शुरुआत से ही design करना पड़ता है
aircraft wing को high speed और हवा में मौजूद particles, यानी dust, ice, volcanic ash, rain/water की वजह से erosion झेलना पड़ता है
यह erosion पहले से ही ऐसा मुद्दा है जिसे काफ़ी mitigation चाहिए, इसलिए जानबूझकर surface को rough बनाना अनपेक्षित नतीजे दे सकता है या और बड़ी समस्या बन सकता है
फिर भी, मुझे लगता है कि इस technique को test करना चाहिए
यह एक दिलचस्प खोज है, लेकिन इससे कोई fundamental principle उलट नहीं गया
fluid dynamics की classes में हमने सीखा था कि form drag होता है, जिसे लेख में pressure drag कहा गया है, और surface friction drag भी होता है
Reynolds number के अनुसार दोनों एक-दूसरे के साथ trade-off में रहते हैं
अगर flow को laminar रखा जाए तो surface friction drag कम होता है, इसलिए smooth surface फ़ायदेमंद लगती है, लेकिन अगर flow को ज़्यादा देर तक चिपकाए रखा जाए तो turbulence induce करने या air injection जैसे तरीकों से form drag कम किया जा सकता है, हालांकि turbulence की वजह से surface friction बढ़ जाता है
यह research ऐसा लगती है जैसे उसने laminar flow बनाए रखते हुए flow separation को देर से होने देने का एक अच्छा तरीका ढूँढ लिया हो, लेकिन मूल सिद्धांत नहीं बदला है
“surface जितनी smooth होगी, drag उतना कम होगा” कोई सार्वभौमिक नियम कभी था ही नहीं; यह केवल कुछ खास scales पर सही बैठता है
https://archive.ph/DbcqV
https://archive.is/20260524231039/https://www.wired.com/stor...
self-supporting balance system का electromagnetic force से streamlined model को wind tunnel के अंदर बिना संपर्क के levitate कर पाना काफ़ी शानदार है
संभवतः test body को हवा में टिकाए रखने के लिए ज़रूरी magnetic field strength में होने वाला बदलाव, उस body पर लगने वाले बल में बदलाव का संकेतक भी होगा